超快光波长测量系统的制作方法

本发明属于微波光子学和相干光信号处理技术领域，具体涉及一种超快光波长测量系统。

背景技术：

随着光电技术的发展，对光波长的超快测量是十分有必要的，尤其是当分析一个微波光子学黑盒子系统时，很多时候会用光谱仪对光波长进行测量，但是光谱仪的测量频率极低，为1hz量级，难以实现对光信号的实时光波长分析。很多时候会对测量光信号进行与一束已知光波长的参考信号耦合至同一光电探测器的处理，然后对输出的电信号进行数字信号处理以分析测量光信号的波长。这种方法虽然可以保证实时测量，但是带宽受限于光电探测器的带宽。

因此本发明提出一个基于微波光子学的超快光波长测量系统，系统的光学部分为系统提供了大的测量带宽，电学部分为系统提供了高的测量精度。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的主要目的是提供一种超快光波长测量系统，使对光波长测量兼具大的测量带宽以及高的测量速率。在光波长测量领域，测量带宽与测量速度往往是一对矛盾的物理量。本发明基于微波光子学，实现对光信号的超快波长测量。

为达到上述目的，本发明提供了一种超快光波长测量系统，该系统包括一窄线宽激光器1、第一至第五光耦合器13-17、一锁模激光器2、第一至第五光电探测器3-7、一第一模数转换模块8、一第二模数转换模块9、一数字信号处理模块10和一色散补偿光纤11，其中：锁模激光器2的输出光信号经过色散补偿光纤11后被第三光耦合器15分成三路，窄线宽激光器1输出的参考光信号与待测量光信号12分别被第一光耦合器13和第五光耦合器17分成两路；锁模激光器2、窄线宽激光器1与测量光信号12的其中一路分别被第三光电探测器5、第一光电探测器3、第五光电探测器7检测输出非相干信号；锁模激光器2剩下的两路光信号分别与参考光信号及测量光信号耦合至第二光电探测器4、第四光电探测器6；第三光电探测器5的输出信号被电耦合器18分成两路，一路与第一光电探测器3、第二光电探测器4的输出信号耦合至第一模数转换模块8输出数字信号，另一路与第四光电探测器6、第五光电探测器7的输出信号耦合至第二模数转换模块9输出数字信号；第一模数转换模块8、第二模数转换模块9的输出数字信号耦合至数字信号处理模块10输出最终的测量结果。

本发明提供的这种超快光波长测量系统，通过处理锁模激光器的输出宽谱光信号与参考光信号及待测光信号的拍频信号来得到测量光信号的波长，因此测量范围等于锁模激光器的谱宽，为10-100nm量级。测量速率等于锁模激光器的脉冲重复频率，可达到50mhz。系统在数字信号处理模块中引入互相关算法来提高测量精度，测量精度反比于光电探测器的带宽乘以色散补偿光纤的色散系数，为10pm量级。因此，利用本发明提供的这种超快光波长测量系统，可以实现大带宽，高速率，高精度的光波长测量。

附图说明

为使本发明的目的、技术方案更加清楚明白，现在结合具体实例，并参照附图，对本发明做进一步说明如后，其中：

图1是依照本发明实施例的超快光波长测量系统的结构示意图。

图2是作为对比例采用光谱仪对10个待测单波长光信号的测量结果。

图3是依照本发明实施例的对图2所示10个待测单波长光信号的测量结果。

图4是一微波信号的时频关系图，对一个单波长光信号进行mzi调制，通过滤波器保留一阶边带。

图5是依照本发明实施例的对被图4所示的微波信号调制后的光信号的测量结果。

图6是依照本发明实施例的对一个扫频速率为0.0866nm/s的快速扫频激光器的输出光信号的测量结果。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

请参阅图1所示，图1是依照本发明实施例的超快光波长测量系统的结构示意图，该系统包括一窄线宽激光器1、第一至第五光耦合器13-17、一锁模激光器2、第一至第五光电探测器3-7、一第一模数转换模块8、一第二模数转换模块9、一数字信号处理模块10和一色散补偿光纤11，其中，锁模激光器2的输出光信号经过色散补偿光纤11后被第三光耦合器15分成三路，窄线宽激光器1输出的参考光信号与待测量光信号12分别被第一光耦合器13和第五光耦合器17分成两路。锁模激光器2、窄线宽激光器1与测量光信号12的其中一路分别被第三光电探测器5、第一光电探测器3、第五光电探测器7检测输出非相干信号。锁模激光器2剩下的两路光信号分别与参考光信号及测量光信号耦合至第二光电探测器4、第四光电探测器6。第三光电探测器5的输出信号被电耦合器18分成两路，一路与第一光电探测器3、第二光电探测器4的输出信号耦合至第一模数转换模块8输出数字信号；另一路与第四光电探测器6、第五光电探测器7的输出信号耦合至第二模数转换模块9输出数字信号。第一模数转换模块8、第二模数转换模块9的输出数字信号耦合至数字信号处理模块10输出最终的测量结果。

请再次参阅图1，窄线宽激光器1输出窄线宽单波长激光作为参考光，该窄线宽单波长激光自第一光耦合器13的输入端进入第一光耦合器13，在第一光耦合器13中该窄线宽单波长激光被分成两路，其中第一路窄线宽单波长激光进入第一光电探测器3被转换成光电流输出给第一模数转换8，第二路窄线宽单波长激光进入第二光耦合器14。

锁模激光器2输出周期性脉冲激光，该周期性脉冲激光自色散补偿光纤11的输入端进入色散补偿光纤11，在色散补偿光纤11中被色散拉伸，实现波长-时间映射，然后自第三光耦合器15的输入端进入第三光耦合器15；在第三光耦合器15中，被色散拉伸的周期性脉冲激光被分成三路，其中：

第一路脉冲激光自第三光耦合器15的第一输出端口151进入第二光耦合器14，在第二光耦合器14中该第一路脉冲激光与第一光耦合器13输出的第二路窄线宽单波长激光耦合叠加形成参考相干叠加光，该参考相干叠加光进入第二光电探测器4，被第二光电探测器4转换成光电流输出给第一模数转换模块8。

第二路脉冲激光自第三光耦合器15的第二输出端口152进入第三光电探测器5，被第三光电探测器5转换成光电流输出给电耦合器18。

第三路脉冲激光自第三光耦合器15的第三输出端口153进入第四光耦合器16。

第五光耦合器17的输入端是测试端，待测激光12自该第五光耦合器17的输入端耦合进入该第五光耦合器17中，被第五光耦合器17分成两路，其中第一路待测激光进入第四光耦合器16，第二路待测激光进入第五光电探测器7。

在第四光耦合器16中，该第三路脉冲激光与第一路待测激光耦合叠加形成测量相干叠加光，该测量相干叠加光进入第四光电探测器6，被第四光电探测器6转换成光电流输出给第二模数转换模块9。

第二路待测激光进入第五光电探测器7后，被第五光电探测器7转换成光电流输出给第二模数转换模块9。

在电耦合器18中，第三光电探测器5输出的光电流被分成两路，其中第一路光电流通过第一模数转换模块8的第三输入端口83进入第一模数转换模块8，第二路光电流通过第二模数转换模块9的第一输入端口91进入第二模数转换模块9。

第一光电探测器3将由第一路窄线宽单波长激光转换成的光电流通过第一模数转换模块8的第一输入端口81进入第一模数转换模块8，第二光电探测器4将由参考相干叠加光转换成的光电流通过第一模数转换模块8的第二输入端口82进入第一模数转换模块8，电耦合器18将第一路光电流通过第一模数转换模块8的第三输入端口83进入第一模数转换模块8，在第一模数转换模块8中，三路光电流被采样存储为数字信号，并输出给数字信号处理模块10。

电耦合器18将第二路光电流通过第二模数转换模块9的第一输入端口91进入第二模数转换模块9，第四光电探测器6将由测量相干叠加光转换而成的光电流通过第二模数转换模块9的第二输入端口92进入第二模数转换模块9，第五光电探测器7将由第二路待测激光转换而成的光电流通过第二模数转换模块9的第三输入端口93进入第二模数转换模块9，在第二模数转换模块9中，三路光电流被采样存储为数字信号，并输出给数字信号处理模块10。

在数字信号处理模块10中，自第一模数转换模块8输入的数字信号被进行数字信号处理，得到第二光耦合器14中参考相干叠加光的相干信息；自第二模数转换模块9输入的数字信号被进行数字信号处理，得到第四光耦合器16中测量相干叠加光的相干信息；随后，数字信号处理模块10进一步对该参考相干叠加光的相干信息及测量相干叠加光的相干信息进行数字信号处理得到最终的测量结果，以进一步提高测量系统的精度。

在本发明实施例中，超快波长测量系统的实现需要满足以下三个条件：1)模数转换模块对光电探测器输出电信号的采样率应满足采样定理，即大于两倍光电探测器的带宽；2)参考光路与测量光路之间的相对时延应尽可能的小；3)窄线宽单波长激光器1的输出光信号波长位于锁模激光器2输出光谱范围内。

当参考信号为稳定波长光信号时，其提取的相干光信号是周期性线性调频信号，带宽为光电探测器带宽、线性调频率为色散补偿光纤色散系数的导数、周期为锁模激光器周期。测量信号也是带宽为光电探测器带宽的调频信号，且其相干信号在每个锁模激光器周期内的时间位置随着测量光信号波长的变化而变化。每个锁模激光器周期的参考相干信号与测量相干信号通过互相关处理后被压缩成脉冲信号，脉冲信号在每个锁模激光器周期的时间位置通过波长-时间映射就能得到测量光信号对应锁模激光器周期时刻的光波长。

图2是作为对比例采用光谱仪对10个待测单波长光信号的测量结果。在该对比例中，采用的光谱仪为一台商业光谱仪(advantestq8384)，所测量的结果用于与采用本发明实施例的测量结果做对比。10个单波长光信号的光波长测量结果分别为1540.05nm、1540.995nm、1542nm、1542.99nm、1543.995nm、1545nm、1549.99nm、1546.995nm、1548nm、1549.005nm。

图3是依照本发明实施例的对图2所示10个待测单波长光信号的测量结果，采用本发明实施例提供的超快光波长测量系统，对图2所示10个待测单波长光信号进行测量，测量结果分别为1540.007nm、1540.999nm、1541.991nm、1542.985nm、1543.975nm、1545nm、1545.99nm、1546.994nm、1548.016nm。

通过对比图2和图3可知，采用本发明实施例提供的超快光波长测量系统所测量得到的测量结果，与对比例中采用光谱仪的测量结果的平均误差为0.013nm，由此可见，本发明实施例提供的超快光波长测量系统在测量超快光波长时具有高精度的特性。

图4是一微波信号的时频关系图。该微波信号被用于作为mzi调制器的驱动信号，目的是通过mzi调制的方式产生一个波长随时间快速变化的单波长激光信号。具体方法为对一个波长1550nm的单波长光信号进行mzi调制，通过光滤波器保留正一阶边带，其mzi调制信号为具有图4所示时频关系的微波信号。因此产生一个理论波长从1550.047nm变化至1550.091nm，变化周期为8微秒的连续激光信号。

图5是本发明对被图4所示的微波信号mzi保留正一阶边带调制的光信号的波长测量结果。测量结果表明，该测量光从1550.056变化至1550.096nm，变化周期为8.06微米，符合理论波长值，此结果验证了本发明提供的超快光波长测量系统在测量超快光波长时具有高速特性。

图6是依照本发明实施例的对一个扫频速率为0.0866nm/s的快速扫频激光器的输出光信号的测量结果。其中圆圈为实验数据，虚线为拟合曲线。实验结果表明，测量光在89.5ns的时间范围内从1540.87nm变化至1548.62nm，变化速率为0.092nm/ns，与所述快速扫频激光源的参数吻合。该实验结果验证了本发明提供的超快光波长测量系统在测量超快光波长时的高速率特性(约20ns测量一次)以及大带宽(约10nm)特性。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。